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冲击压缩超离子水冰的纳秒x射线衍射

自然体积569，页面251 - 255 (2019）引用本文

主题

摘要

自从布里奇曼发现了五种固体水(H2O)冰相11912年，对H2O已经记录了超过17种晶体和几种非晶冰结构2，3.，以及丰富的亚稳态和动力学效应4，5．这种独特的行为部分是由于弱分子间氢键的几何挫折和轻氢离子(质子)的相当大的量子运动。特别耐人寻味的是H2O变成超离子6，7，8，9，10，11，12当受到超过100吉帕斯卡的极端压力和超过2000开尔文的高温时，液态质子会扩散到固体的氧晶格中。数值模拟表明，质子通过氧固体晶格空穴的特征扩散(1)产生了惊人的高离子电导率，超过100西门子/厘米，即几乎与典型的金属(电子)电导率一样高，(2)大大提高了冰的融化温度7，8，9，10，11，12，13到几千开尔文，(3)有利于具有紧密排列的氧晶格的新冰结构13，14，15．因为限制如此热和密集的H2O在实验室中极具挑战性，实验数据稀缺。最近沿着水冰VII的Hugoniot曲线(激波态轨迹)的光学测量显示了超离子传导和熔化的热力学特征的证据16，但没有证实超离子冰的微观结构。在这里，我们使用激光驱动的冲击波同时压缩和加热液态水样本到100-400吉帕斯卡和2000 - 3000开尔文。现场x射线衍射测量表明，在这些条件下，水在几纳秒内凝固成纳米大小的冰粒，这为超离子水冰的晶体氧晶格提供了明确的证据。X射线衍射数据还使我们能够记录冰在这些极端条件下的可压缩性，以及由温度和压力诱导的相变，从以体为中心的立方冰相(可能是冰X)转变为以面为中心的立方超离子冰相，我们将其命名为冰XVIII2，17．

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图1:实验概念(未按比例)。
图2:使用一维拉格朗日辐射流体动力学模拟确定混响压缩路径。
图3:x射线衍射数据和结果。
图4:H2O。

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下载参考

确认

我们感谢C. Davis, J. Emig, E. Folsom, R. Posadas Soriano, S. Uhlich, T. Uphaus和W.联合进行目标准备，欧米茄激光设备管理，工作人员和支持人员进行射击和诊断支持，G. W. Collins, F. Datchi, R. Jeanloz和P. F. McMillan进行讨论。这项工作由LLNL根据合同DE-AC52-07NA27344准备。欧米茄疫苗是通过LLE实验室基础科学计划分配的。LLNL LDRD项目12-SI-007、14-SI-003和19-ERD-031以及美国能源部通过FES/NNSA HEDLP联合项目提供了部分支持。

审核人信息

自然感谢Stephane Mazevet和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。

作者信息

作者指出

  1. 这些作家贡献均等:马略·米洛，费德里卡·科帕里

作者及隶属关系

  1. 劳伦斯利弗莫尔国家实验室，利弗莫尔，加州，美国

    马略·米洛、费德里卡·科帕里、j·瑞安·赖格、安东尼奥·科雷亚·巴里奥斯、塞巴斯蒂安·哈梅尔、达米安·c·斯威夫特和乔恩·h·艾格特

  2. 罗彻斯特大学机械工程系激光能量学实验室，罗彻斯特，纽约，美国

    瑞恩·赖格

作者
  1. 马吕斯Millot
    查看作者出版物

    您也可以在PubMed谷歌学者

  2. Federica Coppari
    查看作者出版物

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  3. 瑞恩·赖格
    查看作者出版物

    您也可以在PubMed谷歌学者

  4. 安东尼奥·科雷亚·巴里奥斯
    查看作者出版物

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  5. Sebastien哈默尔
    查看作者出版物

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  6. 达米安·c·斯威夫特
    查看作者出版物

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  7. Jon H. Eggert
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贡献

M.M.和F.C.对这项工作做出了同样的贡献，他们设计并部署了激光镜头，分析了数据并撰写了手稿。M.M.发起了这个项目，并进行了流体动力学模拟(有来自D.C.S.的输入)。A.C.B.准备好了水目标。j。r。r。是欧米茄激光实验项目的首席研究员。S.H.进行了分子动力学数值模拟。j.h.e.， J.R.R.和F.C.对衍射数据分析软件的开发做出了贡献。所有作者讨论了数据分析和解释，并对手稿进行了评论。

相应的作者

对应到马吕斯Millot或Federica Coppari．

道德声明

相互竞争的利益

作者声明没有利益竞争。

额外的信息

出版商的注意:施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。

补充信息

补充信息

补充信息文件包含了方法的描述，附加的测速和衍射数据，并对24个补充图和2个表的结果进行了扩展讨论。

权利和权限

转载及权限

关于本文

通过CrossMark验证货币和真实性

引用本文

米洛特，M.，科帕里，F.，赖格，J.R.et al。冲击压缩超离子水冰的纳秒x射线衍射。自然569， 251-255(2019)。https://doi.org/10.1038/s41586-019-1114-6

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